Evolución del arsenal científico para la vigilancia de la capa de ozono

Evoluci´on del Arsenal Cient´ıfico para la Vigilancia de la Capa de Ozono

J. C. Gonz´alez N.1 ,O. Simbaqueva F.2

1 Direcci´on de Investigaci´on Fundaci´on Universitaria Los Libertadores. 2 Profesor Facultad de Ingenier´ıa de la Fundaci´on Universitaria Los Libertadores.

Resumen

Los prop´ositos de este trabajo son: a) describir los dominios en los que se centra parte de la literatura cient´ıfica reciente, relacionada con la evaluaci´on de la columna total de ozono y con los niveles de radiaci´on solar ultravioleta B (RUVB); b) resaltar las m´as importantes estrategias desarrolladas en el abordaje del an´alisis y seguimiento de la capa de ozono; c) hallar las tendencias de asociaci´on cient´ıfica para la in-vestigaci´on de la capa de ozono; d) sugerir el ´ambito en el cual los pa´ıses Andinos pueden formar parte de la co-munidad cient´ıfica que estudia los niveles de la radiaci´on ultravioleta solar en la superficie terrestre. Metodol´ ogica-mente, se toman los hilos hist´oricos de los criterios cient´ıficos que determinaron los avances te´oricos e instrumentales que han conducido al nivel de desarrollo cient´ıfico y tecnol´ ogi-co disponibles en la actualidad. Se encuentra que, despu´es de m´as de treinta y cinco a˜nos de enunciado el problema ambiental de car´acter global, se ha formado y organizado una amplia y fuerte comunidad cient´ıfica internacional que desplegando esfuerzos, ha logrado direccionar y motivar a muchos sectores, desde los m´as altos niveles de gobierno de las organizaciones internacionales, para controlar sustancias antropog´enicas que emitidas a la atm´osfera, le hacen da˜no a la capa de ozono. Se ha logrado reducir las emisiones de las sustancias de primera generaci´on en m´as de 95 %, pero dado que la mayor parte de ellas permanecer´an en la atm´osfera por al menos 40 o 50 a˜nos, se requiere continuar con los esfuerzos para mejorar los m´etodos de control y medici´on existentes y encontrar otros, m´as precisos, funcionales y econ´omicos.

Palabras claves: Capa de ozono, radiaci´on ultravioleta solar, es-pectrofot´ometro Dobson, TOMS, lidar, radi´ometros UV.

Abstract

Among the aims of this work it´s included the description of the domains involved in resent scientific papers related with the treatment and the analysis of the ozone layer and with the solar ultraviolet radiation levels (SUVRL). Furthermore, it´s emphasized the more important developed strategies to face the analysis and monitoring of the ozone layer; also, finding the trends in the scientific community association in order to do research into ozone layer. Finally, it´s sug-gested a domain in which Andian countries can construct scientific community for tracking the SUVRL on terrestri-al surface. Methodologicterrestri-ally, it´s searched the trace of the historical scientific criteria which defined the tools and the-oretical advance in the present scientific development. It´s found that after more than thirty five years, since the global problem announcement, it has been organized a very wide and strong international scientific community with which ef-forts pointed out and gear up governments and international organizations in order to control anthropogenic substances that emitted to the atmosphere hurt the ozone layer. It has been achieved successfully to reduce emissions of “first ge-neration substances” in more than 95 %, but since the major part of them will stay in the atmosphere for at least 40 or 50 years, it is necessary to continue with the efforts to en-hance the current methods of control and measurement and to develop new precise and economical methods.

Keywords: Ozone layer, solar ultraviolet radiation, Dobson spec-trophotometer, TOMS, lidar, UV radiometers.

1. Introducci´on

Dado el prop´osito del presente trabajo, no es necesario volver sobre el desarrollo hist´orico detallado de los conocimientos funda-mentales de las reacciones fotoqu´ımicas en las que intervienen

dife-rentes especies qu´ımicas a trav´es de la radiaci´on ultravioleta con la mol´ecula de ozono, temas ya bien documentados por innumera-bles autores, en una gran cantidad de libros y art´ıculos cient´ıficos, que datan desde finales del siglo XIX [Solomon, 1999, y algunas de sus referencias incluidas]. En lo que se refiere al estudio de la capa de ozono, el punto de quiebre hist´orico se ubica en 1974 con el descubrimiento del efecto de los clorofluorocarbonos (CFC) sobre la capa de ozono estratosf´erico [Molina y Rowland, 1974]; el hecho alarmante se centra en que estas sustancias se sintetizaron en 1928 y de inmediato comenzaron a ser producidas y utilizadas globalmente [PNUMA, 2008]. En consecuencia, por esa ´epoca iniciaron su ingre-so a la atm´osfera, pero solo se detectaron en ella hasta 1973, por lo que se acepta que, hist´oricamente, el problema comenz´o a gestarse en 1928, [PNUMA, 2008]. Con el encendido de alarma de 1974 se ponen en marcha los dise˜nos de las acciones para frenar la pro-ducci´on y utilizaci´on de las sustancias inicialmente se˜naladas como causantes del deterioro de la capa de ozono y comienzan las inves-tigaciones para identificar otras con efectos similares. La dimensi´on del problema queda determinada al reconocer con certeza el poder que la radiaci´on solar ultravioleta B detenta para ocasionar graves da˜nos en la mayor parte de los ecosistemas vivos [Allen, Nogue , Baker , 1998][Pausz, Herndl, 1999]; en ello radica la importancia del ozono estratosf´erico, pues es el que bloquea a aquella [Goody, 1964]. Desde cuando los primeros 24 pa´ıses firmaron el Protocolo de Montreal el d´ıa 16 de Septiembre de 1987, hasta la fecha, en la que alrededor de 190 naciones se han adherido al compromiso de la reducci´on de las emisiones de sustancias que agotan la capa de ozono (llamadas de primera generaci´on), se han realizado impor-tantes logros; el m´as sobresaliente de ellos es sin duda, el de haber reducido sus emisiones en m´as de un 95En la figura 1 se muestra una revisi´on de mediciones realizadas tanto en los polos norte y sur como en latitudes medias altas del hemisferio norte, reunidas por Solomon en 1999. De ellas se evidencia que en el ´Artico la tendencia a dis-minuir del ozono total, ocurr´ıa con mayor velocidad entre finales de los 80 y comienzos de los 90 del siglo XX, pero dentro de l´ımites tolerables (de 450 a 350 UD aproximadamente), mientras que en la Ant´artica se registraba la mayor velocidad de disminuci´on en el

lapso comprendido desde finales de los 70 y mediados de los 90 entre l´ımites dram´aticos (de 300 UD a aproximadamente 120 UD); Las latitudes medias del hemisferio norte mostraban una tendencia de disminuci´on leve pero notoria, de 370 a 325 UD entre 1970 y 1995. Estudios m´as recientes muestran que a partir del final de la d´ecada de los noventa del siglo XX y hasta el a˜no 2005, aparece un ¨inter-valo de inflexi´on¨ en el que se frena el decaimiento, con la tendencia del ozono estratosf´erico total a permanecer constante y con serios indicios de una ligera recuperaci´on, [Randel, Wu, 2006]. Adem´as, se espera que para el a˜no 2040 se hayan eliminado completamente las emisiones de sustancias de segunda generaci´on, esencialmente, los hidroclorofluorocarbonos (HCFC) [PNUMA, 2008], cuyo uso se acept´o provisionalmente, por su menor intensidad de da˜no a la capa de ozono [Montzka, et al., 1996][Farman, 2003]. Seg´un las conclu-siones del an´alisis de tendencia, en el Reporte sobre el Ozono de la WMO-CEOS, [WMO, 2001], se espera que en los pr´oximos 50 a˜nos el ozono vuelva a los niveles de hace 25 a˜nos, lo cual implicar´ıa que los incrementos ocurrieran a la mitad de la velocidad de la disminu-ci´on observada [IPCC/TEAP, 2005]. El nuevo panorama y lo que se vislumbra para los pr´oximos cuarenta o cincuenta a˜nos, obliga a que las nuevas generaciones de investigadores-vigilantes de la capa de ozono dispongan de m´etodos y herramientas tanto f´ısico-qu´ımicas como matem´aticas y de nuevas tecnolog´ıas para hacer m´as certeras sus investigaciones [Laat, Aben, Roelofs., 2005]. La continuidad de estrategias de vigilancia regional de la capa de ozono es fundamen-tal, pero reforzadas por los factores anotados y se requiere adem´as, que se focalicen zonas especiales, que por diferentes motivos no han sido suficientemente estudiadas, como la Zona de Confluencia In-tertropical en interacci´on con la Zona Andina.

Dentro del prop´osito general de esta revisi´on se especificar´an al-gunas de las tendencias actuales para el mejoramiento de la calidad de los datos requeridos en el an´alisis de la capa de ozono y evaluar las que se proyectan hacia el futuro. En la secci´on 2 se muestra una r´apida revisi´on de las principales especies qu´ımicas que contribuyen a generar el problema de la capa de ozono y de los ciclos qu´ımicos y fotoqu´ımicos en los que se enmarca la actividad investigativa. En la secci´on 3 se har´a un recuento de las metodolog´ıas

experimen-Figura 1. Tendencias de variaci´on del ozono total en tres zonas del globo

terrestre.

tales disponibles, para evaluar la capa de ozono, as´ı como de los desarrollos en instrumentaci´on y adaptaci´on tecnol´ogica y cient´ıfi-ca para la afinaci´on de la informaci´on de que se dispone. En la secci´on 4 se mostrar´a la regionalizaci´on de las investigaciones por zonas latitudinales con algunas de sus caracter´ısticas. En la secci´on 5 se sintetizar´an algunas de las conclusiones sobre esta revisi´on, y se resaltar´an las bases del terreno en el rigor cient´ıfico para el futuro.

2. De las Reacciones Qu´ımicas Ligadas al Balance del Ozono Atmosf´erico

El presupuesto del ozono estratosf´erico depende del balance en-tre en-tres procesos: la producci´on fotoqu´ımica, la destrucci´on por ci-clos catal´ıticos y la din´amica de los procesos de transporte (Liou, 2002). En cuanto a los dos primeros, Solomon (1999) sintetiza de la siguiente manera: a-. ¨qu´ımica de Chapman¨; b-. ciclos catal´ıticos del hidr´ogeno no ligado; c-. ciclo catal´ıtico del nitr´ogeno no ligado; d-. ciclos catal´ıticos del cloro no ligado; e-. ciclo catal´ıtico Cl-Br; f-.

Algunas reacciones importantes de acoplamiento y de reserva y g-. reacciones heterog´eneas clave. Otro punto de vista, adem´as del cri-terio de la ¨qu´ımica de Chapman¨ que en esencia explica los proce-sos que dan origen a las reacciones mediante las cuales se produce y se disocia el ozono, destaca y engloba las otras, cuyo efecto est´a en la direcci´on de disminuir el presupuesto del ozono (McConnell, y Jin, 2008). Observando este punto de vista, es posible focalizar algunos aspectos. Las reacciones fotoqu´ımicas entre el ox´ıgeno molecular, el ox´ıgeno at´omico y el ozono, con alg´un catalizador natural que sigue permaneciendo en la atm´osfera, fueron estudiadas por Syd-ney Chapman a partir de 1930 y fue quien estableci´o los famosos ¨perfiles de Chapman¨ referentes a la velocidad de las reacciones de generaci´on y de disociaci´on entre el ox´ıgeno at´omico y el molecular, para lograr el equilibrio y la permanencia del ozono en diferentes alturas de la estratosfera, (Goody, Walker, 1975). La principal reac-ci´on que conduce a la producci´on de ox´ıgeno at´omico estratosf´erico es la fot´olisis generada por la radiaci´on UV de longitud de ondaλde 0,250 m, que rompe el enlace de la mol´ecula de ox´ıgeno (McConnell, y Jin, 2008),

O2+hν1 →O+O, λ <250nm

En la que hν1 representa la energ´ıa del fot´on ultravioleta,

cuantifi-cada por la constante de Planck, h, y por la frecuencia correspon-diente ν1. Los ´atomos de ox´ıgeno, O, resultantes, r´apidamente se

recombinan con ox´ıgeno molecular, O2, para producir ozono, O3, O+O2+M →O3+M

En la que M representa la presencia de alg´un componente del aire que absorbe el excedente de la energ´ıa de la reacci´on y estabiliza al ozono. McConnell, y Jin puntualizan que la principal fuente de ozono se ubica en la estratosfera tropical, a una altura de 40 km; adem´as, existe otra longitud de onda (λ =0,200µm) que logra lle-gar a 20 km de altura en los tr´opicos, contribuyendo tambi´en a la formaci´on de ozono. Mediante la din´amica de los fen´omenos de transporte, el ozono generado en la estratosfera tropical es distribui-do en toda la atm´osfera planetaria. De otro lado, en la estrat´osfera de las latitudes medias, la radiaci´on UV tambi´en produce fot´olisis

del ozono que conduce a una p´erdida del mismo, como ya lo hab´ıa hecho notar Chapman en 1930:

O3+hν2 →O2+O

en la que la frecuencia 2 corresponde a una longitud de onda menor de 0,320µm. Sin embargo, ello no implica que solo exista una p´ erdi-da neta de ozono, pues muchos ´atomos del ox´ıgeno liberado, r´ api-damente se recombinan con el ox´ıgeno molecular, para nuevamente generar ozono. La que s´ı puede interpretarse como p´erdida de ozono, es la reacci´on en la que se transforma el enlace del ox´ıgeno molecu-lar y se presenta una reacci´on de la forma (tambi´en propuesta por Chapman),

O2+O →O3

Pero adem´as de la reacci´on anterior, en la que el ox´ıgeno at´omico interviene en la destrucci´on del ozono, Chapman (1940), tambi´en estaba seguro de que el hidr´ogeno y el nitr´ogeno generaban procesos destructivos sobre el ozono. De manera general, puede plantearse una estructura de ciclos destructivos as´ı, (McConnell, y Jin, 2008):

X+O3 →XO+O2 O3+hν →O2+O XO+O →X+O2

en las que X es cualquier especie qu´ımica que reaccionando con el ozono, afecta negativamente dicha capa, al cerrar el ciclo con la reacci´on,

2O3+hν →3O2

Entre las especies qu´ımicas que llegando a la atm´osfera reaccionan con el ozono se destacan, H, Br, Cl, N2O, o radicales como los que se

mencionan a continuaci´on, (McConnell, y Jin, 2008), que se pueden agrupar sint´eticamente, en la siguiente forma: HOx (= H + OH +

HO2 + ...), en la que queda impl´ıcito que el hidr´ogeno no

liga-do interviene en la qu´ımica de las reacciones atmosf´ericas. Adem´as debe recordarse que el radical hidroxilo tiene la capacidad de inter-actuar con casi todas las especies moleculares de la atm´osfera, en

particular afecta la concentraci´on del ox´ıgeno no ligado. En gener-al, los HOx atmosf´ericos provienen principalmente, de la ruptura

fotoqu´ımica (fotolisis) del H2O, aunque tambi´en se presentan otras

reacciones. NOx (=NO + NO2), en la que por ejemplo, el di´oxido

de nitr´ogeno con la intervenci´on de radiaci´on menor de 0,400 µm se descompone en ´oxido n´ıtrico, NO, y ox´ıgeno at´omico. La conse-cuencia es que peque˜nas concentraciones de NO y de NO2, afectan

grandes concentraciones de O3.

ClOx (=Cl + ClO + OClO + HOCl + BrCl), las reacciones

catal´ıticas del cloro explican la interacci´on del ClO con el NO2, para

generar ClONO2. Por esta v´ıa el ClONO2 se convierte en miembro

de las familias del cloro no ligado y del nitr´ogeno no ligado y al igual que el HCl y que el HNO3, son sustancias de larga vida, que de manera intensa afectan la abundancia de sustancias que efectivamente destruyen la capa de ozono como el ClO y el NO2

(Solomon, 1999). En cuanto a los compuestos inorg´anicos del cloro, puede afirmarse que la principal fuente de ellos en la estratosfera son los compuestos clorofluorocarbonados (CFC) antropog´enicos, a los que se agrega una fracci´on natural peque˜na de aproximadamente el 15 % de CH3Cl (McConnell, y Jin, 2008). Los CFC aumentaron

r´apidamente en la atm´osfera en los a˜nos 80 del siglo XX, decay´o su aumento en los primeros a˜nos de los 90 y hacia finales de la misma d´ecada parecieron estabilizarse (Fioletov, 2008).

BrOx (= Br + BrO + BrCl + HOBr), el bromo y sus compuestos moleculares ingresan en la estratosfera por dos v´ıas, una es la de los halones antropog´enicos, en la que se incluye el CH3Br; la otra v´ıa

es la natural en la cual tambi´en aparece el CH3Br. Sin embargo,

se desarrollan estudios sobre c´omo interact´ua el bromo con otros compuestos, especialmente los org´anicos para generar los radicales que se adicionan a los que afectan la capa de ozono y que provienen de especies de mayor tiempo de permanencia (de aparente mayor estabilidad qu´ımica) que pasan de la troposfera a la estratosfera, (McConnell, y Jin, 2008).

El marco referencial de las reacciones qu´ımicas que contienen la mayor parte de la qu´ımica ligada al ozono estratosf´erico podr´ıa re-sumirse en cerca de cuarenta reacciones (Solomom, 1999). Ellas ori-entan los an´alisis que conducen a examinar las diferentes sustancias

que ingresando a la atm´osfera, pueden afectar la capa de ozono. El conjunto de sustancias que se hallan bajo vigilancia est´a casi com-pletamente identificado como puede verificarse en el Manual del Protocolo de Montreal Relativo a Sustancias que Agotan la Capa de Ozono (PNUMA, 2006).

3. M´etodos Instrumentales

Esta secci´on se dedica a realizar una breve rese˜na de las metodolog´ıas experimentales disponibles, para evaluar la capa de ozono, as´ı como de los desarrollos en instrumentaci´on y tecnolog´ıa para la afinaci´on de la informaci´on de que se dispone. Es inevitable recurrir de mane-ra concisa a algunos eventos hist´oricos: la herramienta anal´ıtica m´as eficaz para estudiar la interacci´on de la radiaci´on solar ultravioleta B con el ozono (O3), ha sido la ley Beer-Lambert [Yavorsky, 1972],

cuyo uso para este fin, se remonta a 1879 por Cornu y en 1881 por Hartley [Solomon, 1999]. En 1887 la radiaci´on UV se analizaba en el laboratorio, gracias a los fen´omenos fotoqu´ımicos y fotoel´ectricos que generaba, aunque a´un no se conoc´ıa la explicaci´on del origen de los mismos; quien primero observ´o el fen´omeno fue Heinrich Hertz, y un a˜no m´as tarde, Wilhelm Hallwachs perfeccion´o el an´alisis ex-perimental. Solo hasta 1905, A. Einstein propuso una explicaci´on, con la cual obtuvo el premio nobel en 1921, [Alonso-Finn, 1968]. Para la ´epoca de 1913 Fabry y Buisson ligaban la interacci´on de la radiaci´on UV solar con la columna total de ozono atmosf´erico; en 1921 precisaron varios aspectos metodol´ogicos [Fabry, Buisson, 1921] que a´un hoy en d´ıa siguen vigentes y perfeccion´andose. Para hacer honor a los logros reportados en el trabajo de ese a˜no, se muestra el siguiente paralelismo, que involucra al menos seis aspec-tos fundamentales:

1. Las investigaciones de Fabry y Buisson comenzaron en 1912. Trabajaron con longitudes de onda (λ ) del espectro solar menores que 0,315µm y lograron detectar y trabajar con lon-gitudes de onda de hasta 0,290 µ m. Actualmente se acepta que el espectro solar extraterrestre est´andar, comienza con la radiaci´on ultravioleta de longitud de onda de 0,1995 µm

[Brasseur, Simon, 1981]. Desde dicho valor y hasta aprox-imadamente 0,280 µm, se asume que es absorbida por los diferentes componentes del aire; a partir de valores cercanos a estas ´ultimas longitudes de onda, comienzan a ser detectadas a nivel de la superficie terrestre las radiaciones que confor-man el intervalo denominado ultravioleta B (UV-B) y que se extiende hasta 0,320µm. A partir de 320 µm (o de 0,315µm) y hasta 0,400µm, est´a el intervalo que se denomina radiaci´on ultravioleta A, (UV-A), seg´un la Organizaci´on Meteorol´ogica Mundial, (OMM).

2. Para medir las intensidades de la radiaci´on UV, Fabry y Buis-son usaron solamente el engorroso m´etodo fotogr´afico, ya que aunque se dispon´ıa de termopilas y de bol´ometros no era posi-ble detectar y/o amplificar se˜nales el´ectricas tan peque˜nas. Desarrollaron sus propios filtros y los caracterizaron qu´ımica y ´opticamente. Desde la d´ecada de los a˜nos 20 del siglo XX han ocurrido muchos avances en la f´ısica y en la electr´onica que han conducido a una buena variedad de sensores e in-strumentos para la medici´on de la radiaci´on, desde el perfec-cionamiento de las termopilas y de las celdas Golay hasta los m´as avanzados tubos fotomultiplicadores que incluso se han incorporado en la tecnolog´ıa satelital, pasando por toda una serie de detectores de estado s´olido [OMM,1994]. La investi-gaci´on y desarrollo de nuevos sensores y filtros ha conducido al avance y mejoramiento de instrumentos como radi´ometros y espectrorradi´ometros. De otro lado, y aunque el tema es bien diferente, conviene se˜nalar que la visualizaci´on mediante im´agenes de los cambios de una variable se utiliza en nuestros d´ıas en la tecnolog´ıa de las im´agenes satelitales (que son digi-tales). En ellas se utilizan colores para se˜nalar las regiones en las cuales predomina un determinado rango de una variable f´ısica o climatol´ogica, entre otras, el ozono total, la radiaci´on UV, la radiaci´on global, etc.

3. Fabry y Buisson midieron coeficientes de absorci´on espec-trales del aire y lograron distinguirlos de los del ozono. Sigu-ieron el m´etodo, al que se refieren, como principio de Bouguer

y que no es otro que el conocido actualmente como de Beer-Bouguer-Lambert [Liou, 2002]. Separaron claramente los fen´ o-menos de la difusi´on molecular del aire cuyo fundamento es la teor´ıa de Rayleigh, publicada en 1871 (Goody, 1964) y la extinci´on generada por la bruma y otros ¨cuerpos extra˜nos en suspensi´on en el aire¨ (Mie, 1908), del fen´omeno de la ab-sorci´on selectiva y espectral por parte del aire (Goody, 1964). Hoy en d´ıa est´a muy bien desarrollada la teor´ıa de la trans-ferencia radiativa, cuya aplicaci´on permite modelar diferentes tipos de atm´osferas y adicionar en ellas nuevos factores de in-teracci´on, para hacer m´as precisos los modelos [Liou, 2002]. Se utilizan diferentes partes del espectro solar que interact´uan con el ozono para hacer el seguimiento y vigilancia de la capa de ozono con el instrumental matem´atico de modelos multi-lineales [Chac´on, 1998].

4. Para resolver las diferentes l´ıneas espectrales, Fabry y Buisson usaron dos espectroscopios en su montaje experimental, lo que se constituye en el fundamento de los m´as sofisticados instrumentos que pronto se desarrollar´ıan para medir el ozono total, como los espectrofot´ometros de Dobson, desarrollados en la d´ecada de los 20 y 30 del siglo XX [Su´arez, 2000] y de Brewer, desarrollados en la d´ecada de los 70 [Redondas et al., 1996]. Con la disponibilidad de estos espectrofot´ometros ha sido posible implementar redes de estaciones de vigilancia de la capa de ozono alrededor del mundo, bajo la unidad y la universalidad de criterios liderados por la OMM.

5. Fabry y Buisson pudieron establecer los valores relativos en-tre la intensidad espectral UV extraterresen-tre y la UV a nivel de la superficie terrestre en su lugar de medici´on. Hoy en d´ıa, se utilizan m´etodos experimentales m´as sofisticados y se dispone de la tecnolog´ıa a´erea y satelital para tener los datos tanto en tiempo real como series de tiempo muy prolongadas y disponibles para todo el mundo [Chance et al, 1997]. 6. Fabry y Buisson lograron determinar el espesor de la capa de

per-fil vertical, el cual solo se conoci´o a˜nos despu´es. En ello, sus valores concuerdan con el espesor de lo que se asocia con las Unidades Dobson (UD), (Liou, 2002). Desde los a˜nos 30 del siglo XX se pudo medir por diferentes m´etodos, los perfiles verticales del ozono, m´etodos que van desde los globos para ozonosondeos, correlaciones con radiosondas, perfiles tomados en aviones y mapeos de profundidad realizados con sat´elites [Chance et al, 1997]. Adem´as, se han desarrollado otras t´ ecni-cas que permiten realizar mediciones en perfil vertical, dentro de las cuales, la m´as destacable es la t´ecnica Light Detection and Ranging, LIDAR, [Wild et al, 2003].

3.1. Espectrofot´ometro Dobson

Desde el nivel terrestre, el estudio continuo de la capa de ozono se hace generalmente a trav´es del an´alisis de la radiaci´on UV-B solar que llega a la superficie terrestre. Para el an´alisis de la ra-diaci´on ultravioleta se han desarrollado esencialmente dos t´ecnicas experimentales, que tienen como prop´osito separar dicha secci´on es-pectral del resto del espectro solar; por un lado est´a la t´ecnica de los monocromadores, y por el otro, la de filtros especiales. La primera, da lugar a los espectrofot´ometros, de los cuales los m´as famosos y utilizados son el Dobson y el Brewer; la segunda, dio origen a los radi´ometros UV [OMM, 1994]. No es el prop´osito de esta revisi´on describir detalladamente la conformaci´on de los instrumentos para la determinaci´on del ozono total. Sin embargo, es importante re-saltar algunas caracter´ısticas particulares de los espectrofot´ omet-ros. Si bien los bloques constitutivos del espectrofot´ometro Dobson son an´alogos a los del Brewer, los criterios conceptuales de su dise˜no son diferentes [Staehelin et al, 2003]. Los bloques constitutivos fun-damentales del espectrofot´ometro Dobson son (v´ease figura 2) : el sistema ´optico de entrada que recibe la radiaci´on solar global, con-siste esencialmente en un montaje perisc´opico, mediante el cual, la radiaci´on ingresa por una ventanilla hacia un espejo y de este, hacia un prisma de reflexi´on total (de ´angulo recto), que la ubica en una abertura de ranura, para que el haz as´ı generado ingrese al espec-troscopio [Instrumentaci´on 1, Consejer´ıa, 2009] [Komhyr, 1980]. El

sistema espectrosc´opico recibe el haz generado y le mejora la col-imaci´on mediante una lente de cuarzo, que lo hace pr´acticamente paralelo; luego el haz colimado llega a un prisma que se denomina, primer monocromador. Este ocasiona el fen´omeno de dispersi´on de la radiaci´on solar global descomponi´endola en sus componentes, en-tre ellos la radiaci´on UV. Esta radiaci´on UV, mediante un espejo se env´ıa de nuevo a la lente y al prisma para causar una nueva disper-si´on, en este caso de la radiaci´on UV. Ahora se est´a en la posibilidad de escoger la radiaci´on UV con la que se va a trabajar, con la ayuda de tres ranuras ubicadas en el plano focal del instrumento [Komhyr, 1980]. La siguiente etapa es el subsistema dise˜nado para dos fun-ciones: i-. la realizaci´on de pruebas y chequeos de funcionamiento del espectrofot´ometro, y ii-. la selecci´on de las radiaciones UV-B de trabajo, o de los pares de las mismas, para intercomparaci´on, seg´un la metodolog´ıa dise˜nada por Dobson [Komhyr, 1980] [Dob-son, 1957]. Longitudes de onda de las radiaciones UV-B t´ıpicas que se seleccionan en los espectrofot´ometros Dobson, son:λ1=305,5 nm,

que es fuertemente absorbida por el ozono, mientras queλ2 = 325,4

nm es muy poco absorbida por el ozono; otros valores de λ son, 311,4nm, 317,6nm, 329,1nm, 332,4nm, 339,8nm. Estas radiaciones espec´ıficas est´an en los rangos de las bandas de absorci´on Hartley-Huggins por parte del ozono. El subsistema de afinamiento y de purificaci´on de la radiaci´on UV-B, as´ı como la de eliminaci´on de radiaci´on difundida en el interior del conjunto, es la parte final del sistema ´optico. Este involucra una cu˜na ´optica, formada por dos cristales, los cuales preferentemente se fabrican en cuarzo. El sis-tema espectrosc´opico entrega el peque˜no haz de fotones al tubo fotomultiplicador para la correspondiente amplificaci´on en la elec-tr´onica asociada a la recolecci´on de la informaci´on. Caracter´ısticas operativas:

Dado que el dise˜no de este espectrofot´ometro comenz´o en los a˜nos 20 del siglo XX, est´a fuertemente influenciado en los dise˜nos y materiales ´opticos disponibles por aquella ´epoca. Este hecho genera varias dificultades originadas en el com-portamiento t´ermico de los materiales, lo cual exige cuidados especiales en el dise˜no constructivo, en los materiales estruc-turales, en la operaci´on y manipulaci´on del equipo, adem´as

de un sistema de control de temperatura y de autocorrecci´on [Instrumentaci´on 1, Consejer´ıa, 2009].

Figura 2.Diagrama esquem´atico del dise˜no de un espectrofot´ometro Dobson

[Tomado y adaptado de WMO/GAW No. 149, 2003].

La cu˜na ´optica dif´ıcilmente est´a exenta de irregularidades que generan efectos no lineales, los cuales implican correcciones en la calibraci´on. Adem´as, la cu˜na sufre cambios en el tiempo que, por supuesto, cambian la respuesta lineal del instrumen-to, generando incertidumbres que pueden estar en el rango del 0,5 % [OMM, 1990]. Por lo anterior, se recomienda verificar dos veces por mes la calibraci´on de la cu˜na ´optica.

Debido a que el coeficiente de absorci´on del ozono depende de la temperatura, dicho coeficiente puede tener cambios de 1,2 %, lo que en los espectrofot´ometros Dobson inducen una propagaci´on de errores en la determinaci´on del ozono total. Las rendijas del sistema ´optico de estos espectrofot´ometros introducen un error cercano al 2 %, debido a la falta de pre-cisi´on de la funci´on de transmisi´on de la misma [OMM, 1990]. Similarmente, por las caracter´ısticas de la radiaci´on utiliza-da en su metodolog´ıa, la presencia de otros gases absorbentes, como el di´oxido de azufre pueden sesgar la medici´on del ozono total hasta en un 3 %, en los espectrofot´ometros Dobson [OMM, 1990].

Metodolog´ıa de la medida: En el m´etodo perfeccionado por Dobson para determinar la cantidad total de ozono se parte

de las medidas relativas de las intensidades de la radiaci´on UV solar en las longitudes de onda que son fuertemente ab-sorbidas por el ozono, y que adem´as, son especialmente sen-sibles a las variaciones de las concentraciones de ozono. Ello facilita la comparaci´on con las radiaciones UV en las cuales la absorci´on del ozono es menor, de tal forma que, al tomar la raz´on entre ellas se eliminan interacciones con otras especies qu´ımicas [Komhyr, 1980, revisado por Evans, 2006].

El modelo te´orico se fundamenta en la ley de Beer-Bouguer-Lambert, que se puede expresar en la siguiente forma [Liou, 2002]:

I(λ) = hr0

r

i2

I0(λ) exp[−τ(λ)m(θ0)] (1)

con r la distancia Tierra-Sol, el d´ıa de la medici´on y r0 la

dis-tancia media Tierra-Sol, I(λ), la irradiancia solar espectral directa de longitud de onda que incide en la superficie terrestre despu´es de atravesar la atm´osfera, I0(λ) , la irradiancia solar espectral

ex-traterrestre con longitud de onda,λ,τ(λ) , es la profundidad ´optica total que es la suma de varios efectos como son, los aerosoles (A), las mol´eculas que generan dispersi´on de Rayleigh (R), el ozono (O3)

y el di´oxido de nitr´ogeno (NO2); se han desarrollado varios modelos

matem´aticos para la estimaci´on de estos factores,

τ(λ) = τA(λ) +τR(λ) +τO3(λ) +τN O3(λ) (2) m(θ0), es el factor de masa = secθ0 , siendoθ0, es el ´angulo cenital

que involucra la latitud del lugar de medici´on, los ´angulos de decli-naci´on solar y el horario. Para fines pr´acticos en la determinaci´on experimental de los diferentes par´ametros, la ecuaci´on (1) se puede reescribir como,

I(λ) =I0(λ) exp[−

X

τi(λ)mi(θ0)] (3)

Lo que implica que, log I(λ) I0(λ) =−[τ_A∗(λ) +τ_R∗(λ) +τ_O∗₃(λ) +τ_{N O}∗ ₃(λ) sinZ] (4)

el asterisco llama la atenci´on sobre la necesidad del factor mul-tiplicativo de conversi´on logar´ıtmico log10e. El ´angulo cenital Z

est´a referido para una altura aproximada de 20 km que corresponde a la m´axima concentraci´on del ozono. La concentraci´on total de ozono en la columna vertical, con variable vertical z, se define co-mo,

Ω =

Z ∞

0

ρ(z)dz (5)

Una caracter´ıstica del m´etodo de Dobson consiste en seleccionar un par de radiaciones del rango UV con longitudes de onda λ1 y λ2

tales que en las bandas de absorci´on Hartley-Huggins del ozono, satisfagan la condici´on de que una de ellas tenga mayor coeficiente de absorci´on que la otra, lo cual es relativamente f´acil, debido a que en estos rangos la selectividad espectral del ozono es marcada; as´ı, si los coeficientes de absorci´on se denotan por k(λ), la condi-ci´on se puede expresar como, k(λ1) > k(λ2). Para determinar una expresi´on con par´ametros obtenibles en el instrumento, se procede as´ı: log I(λi) I0(λi) =−[τ_A∗(λi) +τR∗(λi) +τO∗3(λi) +τ ∗ N O3(λi) sinZ], i= 1,2 (6) luego de realizar la respectiva substracci´on, reordenando y teniendo en cuenta que k∗(λ1)−k∗(λ2) = ∆k, y que, τ_A,R∗ (λ1)−τ_A,R∗ (λ2) = ∆τA,R se obtiene, N = log I(λ1) I(λ2) −log I0(λ1) I0(λ2) =−Ω secZ∆k−m∆τA−m∆τR (7) En su procedimiento est´andar la OMM (1990) recomienda utilizar los pares de radiaciones con longitud de onda λ1 = 305,5 nm y λ2 = 325,4 nm de un lado, y de otro,λ1 = 317,6 nm yλ2 = 339,8

nm. Seg´un Dobson (1957), estos dos espec´ıficos pares de longitudes de onda son los que definen al genuino espectrofot´ometro Dobson. Al aplicarlos en la ecuaci´on (7) e identificando cada par con el supra´ındice (1) o (2), se llega a,

En la que los par´ametros a y b se determinan a partir del conocimiento de los coeficientes de absorci´on del ozono y de la apli-caci´on de la teor´ıa de dispersi´on de Rayleigh [Murad y Tabocchini, 1976],

a = ∆k(2)−∆k(1) '1,388(atm−1cm−1), b '0,009ps

Con ps la presi´on superficial en atm´osferas.

3.2. Espectrofot´ometro Brewer

En lo referente a los espectrofot´ometros Brewer, que vienen uti-liz´andose en el Sistema Mundial de Observaci´on del Ozono desde los a˜nos 80 del siglo XX [Staehelin et al, 2003] conviene resaltar las siguientes caracter´ısticas:

a. Los bloques constitutivos fundamentales son (v´ease figura 3): los sistemas ´opticos de entrada, el espectrofot´ometro propia-mente dicho, y el fotomultiplicador [Redondas et al., 1996]. Generalmente, se construyen con la opci´on de dos sistemas ´

opticos, uno para ofrecer la posibilidad de medir la radiaci´on UV global (con domo) y otro, tipo pirheli´ometro, con seguidor de Sol para medir la radiaci´on UV directa, adem´as de posi-bilidades de ajuste de ´angulos de visi´on, de selecci´on de fac-tores de atenuaci´on (con filtros) y de planos de polarizaci´on de la radiaci´on que incide perpendicularmente a las rejillas de entrada al espectrofot´ometro [Instrumentaci´on 2, Consejer´ıa, 2009]. Por su parte, el espectrofot´ometro consta de un doble monocromador (algunos modelos comerciales solo tienen un solo monocromador) que involucra rejillas de difracci´on. El primer monocromador se encarga de dispersar (en el sentido de separar o resolver) la radiaci´on UV en el plano focal en el que est´an ubicados seis colimadores para seleccionar las cor-respondientes se˜nales espectrales con longitudes de onda que est´an en el rango que va desde los 302,2 nm hasta aproxi-madamente los 320,1 nm (i. e., del rango UV-B), con resolu-ci´on menor de 0,6 nm. El segundo monocromador elimina la radiaci´on UV que se haya difundido en el sistema. Otras ra-diaciones UV-B utilizadas en los espectrofot´ometros Brewer

son: λ= 306,6nm, 310,1nm, 315,5nm, 316,8nm. La radiaci´on UV seleccionada se focaliza en el c´atodo del fotomultiplicador, del cual los pulsos de fotones son entregados a la electr´onica asociada para el correspondiente control y registro de datos [Redondas et al., 1996].

Figura 3. Dise˜no del espectrofot´ometro Brewer tipo MK II [Tomado de

WMO/GAW No. 149, 2003].

b. Caracter´ısticas operativas:

Pueden funcionar a la intemperie.

Su dise˜no conceptual permite construirlo de forma tal que funcione autom´aticamente [Redondas et al., 1996]. Selecciona un conjunto de 5 radiaciones UV-B para re-ducir los efectos que generan sesgos por parte de aerosoles y del SO2. Adem´as, se pueden usar para determinar pro-fundidad ´optica de aerosoles, al disponer de series de tiempo apropiadas [Kerr et al., 1981] [Kerr, 2002]. Al separar el efecto de absorci´on de la radiaci´on UV-B por parte del SO2 de aquel del ozono, logra mejorar la exactitud en la determinaci´on del ozono total en el rango de 2 % [OMM, 1990].

La incertidumbre debida a la no linealidad en la respues-ta del instrumento, generada en el sistema ´optico de res-oluci´on, es cercana al 0,3 %, mientras que en otros in-strumentos sobrepasa el 0,5 % [OMM, 1990].

Las rendijas del sistema ´optico de estos espectrofot´ omet-ros introducen un error cercano al 0,5 %, debido a la fal-ta de precisi´on de la funci´on de transmisi´on de la misma [OMM, 1990].

Los coeficientes de absorci´on de las radiaciones UV-B que se asocian como referenciales al espectrofot´ometro Brewer son menos dependientes de efectos t´ermicos [Re-dondas et al., 1996].

Se han desarrollado t´ecnicas aplicadas a los espectro-fot´ometros Brewer, para lograr mejorar la calidad de es-pectros tomados dentro de ciertos rangos de longitudes de onda, usando la t´ecnica de espectroscop´ıa de absor-ci´on ´optica diferencial (DOAS, seg´un sigla en idioma in-gl´es) [Kerr, 2002].

Dado que la respuesta del espectrofot´ometro Brewer es esencialmente lineal, su calibraci´on es menos complica-da que la de otros instrumentos. Conviene aclarar que con irradiacias elevadas se pierde un poco la linealidad [OMM, 1990].

Pueden ser utilizados como patrones primarios.

Salvo las radiaciones UV espec´ıficas, el principio de medida con el espectrofot´ometro Brewer es esencialmente el mismo que el del Dobson [Kerr et al., 1980, 1984]. Con dicho instrumento se mide la intensidad de la radiaci´on UV directa en cinco longitudes de onda como las mencionadas arriba. Con las cuatro m´as largas se calcu-la el ozono en columna total. Las radiaciones de estas longitudes presentan algunas interacciones f´ısicas diferentes que las utilizadas con el espectrofot´ometro Dobson, lo que permite realizar an´alisis complementarios [OMM, 1990].

Metodolog´ıa de la medida: Dadas las caracter´ısticas de las inter-acciones que las radiaciones UV arriba se˜naladas tienen con algunos componentes atmosf´ericos, la aplicaci´on de la ley de Beer-Bouguer-Lambert, conduce a:

logI(λ) = logI0(λ)−k0(λ)Ωµa−k00(λ)Ω0µ0a−S(λ)N−β(λ) secθz

(9) con, I(λ) e I0(λ), como se definieron arriba, k0(λ) , el coeficiente de absorci´on espectral del ozono, Ω, la cantidad de ozono en la atm´osfera en condiciones est´andar de presi´on y temperatura, µa,

es la masa relativa en funci´on de la elevaci´on solar y que se calcu-la seg´un sec(θz); se han desarrollado varios modelos para mejorar

el c´alculo seg´un la elevaci´on solar. k00(λ) coeficiente de absorci´on

del di´oxido de azufre (SO2) en la longitud de onda; Ω0, la cantidad

de di´oxido de azufre en la atm´osfera ( a TPN); µ0_a , es la masa ´

optica relativa de la trayectoria de la radiaci´on solar a trav´es de la columna de di´oxido de azufre; S(λ), es el coeficiente de dispersi´on molecular de Rayleigh en la longitud de onda . ˜N, es el n´umero de atm´osferas moleculares a lo largo de la trayectoria de la ra-diaci´on incidente.β(λ) es el coeficiente de dispersi´on de part´ıculas (aerosoles) en la longitud de ondaλ;θz es el ´angulo cenital aparente

del Sol. Para efectos de s´ıntesis suele plantearse la ecuaci´on general que involucra las cuatro longitudes de onda con las que se realiza el an´alisis de la capa de ozono de la siguiente manera [Fioletov et al., 2005]:

F + ∆Sµ0 =F0 −∆κΩµ (10) Siendo F0, el t´ermino de calibraci´on de la radiaci´on extraterrestre,

µ0 yµlos caminos seguidos por la radiaci´on en el aire y en el ozono; F, ∆κ, ∆S, son los n´umeros asociados a las cuatro intensidadesIi,

los correspondientes coeficientes de absorci´on del ozono y ∆S los correspondientes coeficientes de dispersi´on de Rayleigh, respectiva-mente, con expresiones,

F = 4 X i=1 wilogI(λi); ∆κ= 4 X i=1 wi; ∆S = 4 X i=1 wiS(λi)(11) (11)

En el caso espec´ıfico de las radiaciones UV con longitudes de onda (310.1, 313.5, 316.8, y 320 nm), los coeficientes peso wi,

correspon-dientes (1.0, -0.5, -2.2, y 1.7) han sido escogidos para, i-, minimizar los efectos del SO2, ii-, corregir los peque˜nos corrimientos en las

longitudes de onda durante las mediciones, y iii-, para suprimir las variaciones que cambian linealmente con la longitud de onda. Co-mo se˜nala Fioletov et al. (2005), los coeficientes ∆κ, se determinan para cada instrumento individual mediante pruebas est´andar ya es-tablecidas, debido a que cada uno presenta ajustes de longitud de onda ligeramente diferentes. Una vez conocidosF0 y ∆κ, es posible

mediante la ecuaci´on (10) determinar el ozono total.

3.3. Radi´ometros UV

A diferencia de los espectrofot´ometros como los mencionados anteriormente, que pueden realizar barridos espectrales muy selec-tivos por partes m´as o menos amplias del espectro electromagn´etico, identificando de manera discreta y precisa valores de frecuencia (o de longitud de onda, con resoluci´on aproximada de 0.6 nm), se cuenta tambi´en con instrumentos t´ecnicamente m´as sencillos, que pueden ofrecer informaci´on sobre unos pocos y determinados val-ores de frecuencia (o longitud de onda, con anchos de banda en el rango de 10 nm) o bien, de una parte del espectro con un ancho de banda relativamente amplio. Estos son los denominados radi´ omet-ros. El uso m´as importante que se da a los radi´ometros UV es el de monitoreo por bandas espectrales. Entre los radi´ometros UV que se han desarrollado, los tipos m´as tradicionales son el Berger-Robertson [Berger y Morys, 1992] y el Eppley TUV [OMM, 1990]. La particularidad m´as destacable del Robertson-Berger es su sis-tema de sensor (basado en fotocelda de compuesto fosforado y fil-tro), cuya respuesta caracter´ıstica muestra una amplia coincidencia con la curva espectral de acci´on efectiva de eritema, entre 285 y 325 nm. Este hecho ha estimulado que se utilice como un detec-tor biom´etrico [Solar Light Co. Inc. 2006]. Una variante de este radi´ometro es el que est´a constituido por filtros de banda estrecha (del orden de 5nm), pero que tambi´en conducen a una caracter´ısti-ca similar a la de acci´on efectiva de eritema. Ambos instrumentos son de respuesta r´apida, relativamente econ´omicos, robustos y con un dise˜no adecuado, pueden funcionar con gran autonom´ıa [Morys

y Berger, 1993]. Sin embargo, los radi´ometros de filtro muestran baja estabilidad para trabajar en largos periodos de tiempo. La NOAA los involucr´o en sus redes de estaciones en los a˜nos 70 del siglo XX. El radi´ometro Eppley TUV es de rango amplio y puede monitorear la radiaci´on UV-A en el rango de 325 a 380 nm. Utiliza como sensor una celda de selenio asociada a un filtro. En tiem-pos recientes se han desarrollado otros modelos m´as vers´atiles, por parte de diferentes fabricantes; entre ellos est´an los radi´ometros que seleccionan en las regiones UV-A y/o UV-B i.e., desde 290 a 400 nm, con anchos de banda moderados (10 nm, aprox.). Con estos instrumentos es posible reconstruir el espectro en el rango men-cionado, complementando las mediciones obtenidas, con modelos de transferencia radiativa [Salvador et al., 2007]. Estos radi´ omet-ros est´an en amplia difusi´on y ya existen varias redes de estaciones alrededor del mundo que los han involucrado de manera formal y generalizada [Bernhard, Booth y Ehramjian, 2004]. Tambi´en se han fabricado instrumentos port´atiles, que utilizando las anteriores metodolog´ıas y especificaciones se han focalizado en monitoreo de ozono, asoci´andoles un sistema electr´onico que convierte la lectura de la radiaci´on UV en valores de ozono total; debido a que tam-bi´en pueden suministrar la informaci´on fotom´etrica se les denomina ¨fot´ometros solares¨ (Sun photometers). Adem´as, se les ha adi-cionado sistemas de posicionamiento global (GPS), con facilidades de almacenamiento de datos y de procesamiento de la informaci´on. Dotados con la mejor tecnolog´ıa de filtros, los datos de ozono total obtenidos difieren en menos de 2 % comparados con los obtenidos por el espectrofot´ometro Brewer. El ancho de banda total de sus filtros en la mitad de la altura de m´axima intensidad es de 2,4 nm. Esta caracter´ıstica garantiza que al aplicar la ley de Beer-Bouguer-Lambert para obtener el ozono total, los resultados est´en dentro de las incertidumbres aceptadas [Morys et al., 2001]. A finales de los a˜nos 60 del siglo XX, se demostr´o que filtros con anchos de ban-da entre 25 y 30 nm pod´ıan generar errores hasta de 30 % al ser usados en la determinaci´on del ozono total. La metodolog´ıa para la determinaci´on del ozono total est´a basada tambi´en en la ley de Beer-Bouguer-Lambert, con un procedimiento matem´atico an´alogo al de los espectrofot´ometros anteriores:

I(λ) =I0(λ)e−αµΩ−mβP /P0 (12)

con I0(λ), la intensidad espectral de la radiaci´on extraterrestre,

I(λ), la intensidad en el mismo rango espectral que llega atenuada a la superficie terrestre; es el coeficiente de absorci´on del ozono para la radiaci´on de longitud respectiva, (o expl´ıcitamente, α(λ)),Ω es el ozono total, µ es la raz´on entre las trayectorias real y vertical de la radiaci´on a trav´es de la capa de ozono, P es la presi´on de la atm´osfera en milibar, P0 es la presi´on est´andar, m es la masa relativa de aire definida como la raz´on entre las trayectorias real y vertical de la radiaci´on a trav´es de la atm´osfera hasta llegar al detector; obs´ervese que si m <2 , m y µ tienen valores muy pare-cidos. Adicionalmente, pueden tenerse en cuenta los procesos que involucran partes espectrales m´as o menos amplias del rango UV, como la dispersi´on de Rayleigh (β), o la dispersi´on generada por los aerosoles o mol´eculas de agua [Morys et al., 2001]. Para incluir otras interacciones radiativas con otras especies qu´ımicas, deben tenerse en cuenta las longitudes de onda espec´ıficas con las cuales trabaja el radi´ometro en cuesti´on. El procesamiento matem´atico subsecuente, es en esencia similar al que se emplea en los espectrofot´ometros, pero debe tenerse especial cuidado en el an´alisis de los m´argenes de error implicados en los anchos de banda impl´ıcitos (alrededor de 10 nm) en el dise˜no de los radi´ometros.

(En la siguiente entrega de esta revista se completar´a la revisi´on con las alternativas tecnol´ogicas de ozonosondeo, LIDAR y detecci´on satelital.)

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